DE202019100608U1

DE202019100608U1 - Sensor device for detecting the rotational position of a rotating shaft

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Publication number: DE202019100608U1
Application number: DE202019100608.0U
Authority: DE
Original assignee: Nidec Motors and Actuators Germany GmbH
Current assignee: Nidec Motors and Actuators Germany GmbH
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2019-03-04
Anticipated expiration: 2029-02-02

Abstract

Sensoreinrichtung (12) zur Erfassung der Drehlage einer sich drehenden Welle (5), die in einem Gehäuse (2) drehbar gelagert ist, mit einem Gebermagneten (13), der an einem Trägerbauteil (14) befestigt ist, das mit der Welle (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (13) quaderförmig ist und das Trägerbauteil (14) an der Stirnseite eine Ausnehmung (21) aufweist, in die der Gebermagnet (13) flächenbündig aufgenommen ist, so dass die Stirnseite des Trägerbauteils (14) und eine Oberseite des Gebermagnetes (13) in einer gemeinsamen Ebene liegen.Sensor device (12) for detecting the rotational position of a rotating shaft (5), which is rotatably mounted in a housing (2), with a transmitter magnet (13) which is fixed to a support member (14) connected to the shaft (5 ), characterized in that the transmitter magnet (13) is parallelepiped-shaped and the carrier component (14) has a recess (21) on the front side, in which the transmitter magnet (13) is received flush, so that the front side of the carrier component (14 ) and an upper side of the transmitter magnet (13) lie in a common plane.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Erfassung der Drehlage einer sich drehenden Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The present invention relates to a sensor device for detecting the rotational position of a rotating shaft with the features of claim 1.

Bürstenlose Gleichstrommotoren umfassen einen Rotor, der mit einer Motorwelle verbunden ist und in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen. Um den Motor herum ist ein Stator angeordnet, der auf einem Eisenkern eine Anzahl von Wicklungen trägt. Bei geeigneter Ansteuerung erzeugen die Wicklungen ein Magnetfeld, das den Rotor zur Rotation antreibt. Beim Betrieb bürstenloser Gleichstrommotoren ist es für die Erzeugung von Kommutierungssignalen notwendig, die Drehlage des Rotors zu erfassen. Ferner ist es in verschiedenen Anwendungen vorteilhaft, auch die Drehgeschwindigkeit und die Drehrichtung zu erfassen. Zu diesem Zweck werden im Stand der Technik üblicherweise Drehlagesensoren verwendet. Solche Drehlagensensoren sind in der Praxis meist Hall-Elemente, wobei auch andere Magnetsensoren, wie beispielsweise MR (Magneto Resistive) oder GMR (Giant Magneto Resistive) Sensorelemente bekannt sind.Brushless DC motors include a rotor connected to a motor shaft and rotatably supported in a housing. The rotor is provided with permanent magnets. Around the motor, a stator is arranged, which carries on a iron core a number of windings. With suitable control, the windings generate a magnetic field that drives the rotor for rotation. When operating brushless DC motors, it is necessary for the generation of commutation signals to detect the rotational position of the rotor. Furthermore, it is advantageous in various applications to also detect the rotational speed and the direction of rotation. For this purpose, usually rotational position sensors are used in the prior art. Such rotary slide sensors are in practice mostly Hall elements, although other magnetic sensors, such as MR (Magneto Resistive) or GMR (Giant Magneto Resistive) sensor elements are known.

Aus der EP 2 350 573 B1 ist beispielsweise eine Sensoreinrichtung zur Erfassung der Drehlage einer sich drehenden Welle bekannt, die einen ringförmig ausgebildeten Gebermagneten aufweist, der auf einem Trägerstift sitzt, wobei der Gebermagnet als Spritzgussbauteil ausgeführt ist und an den Trägerstift angespritzt ist. Eine solche Sensoreinrichtung weist eine nachteilige Toleranzkette auf, was sich negativ auf die Kosten der Sensoreinrichtung auswirkt.From the EP 2 350 573 B1 For example, a sensor device for detecting the rotational position of a rotating shaft is known, which has a ring-shaped encoder magnet, which sits on a carrier pin, wherein the encoder magnet is designed as an injection molded component and molded onto the carrier pin. Such a sensor device has an adverse tolerance chain, which has a negative effect on the cost of the sensor device.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Sensoreinrichtung zur Erfassung der Drehlage einer sich drehenden Welle anzugeben, die eine verbesserte Toleranzkette und kostengünstigere Bauteile aufweist.It is an object of the present invention to provide a sensor device for detecting the rotational position of a rotating shaft, which has an improved tolerance chain and less expensive components.

Diese Aufgabe wird von einer Sensoreinrichtung zur Erfassung der Drehlage einer sich drehenden Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist eine Sensoreinrichtung zur Erfassung der Drehlage einer sich drehenden Welle vorgesehen, wobei die Welle in einem Gehäuse drehbar gelagert ist, aufweisend einen Gebermagneten, der an einem Trägerbauteil befestigt ist, das mit der Welle verbunden ist, wobei der Gebermagnet quaderförmig ist und das Trägerbauteil an der Stirnseite eine Ausnehmung aufweist, in die der Gebermagnet flächenbündig aufgenommen ist, so dass die Stirnseite des Trägerbauteils und eine Oberseite des Gebermagnetes in einer gemeinsamen Ebene liegen. Der Gebermagnet ist einfach und kostengünstig herzustellen. Durch die flächenbündige Aufnahme in dem Trägerbauteil lässt sich die Lage des Magneten gut definieren, wodurch die Möglichkeit eröffnet wird, diesen näher an eine Sensorbaugruppe der Sensoreinrichtung zu bringen, was zu einer besseren Signalqualität führt. Zudem kann durch die Ausgestaltung die Toleranzkette der beteiligten Bauteile günstig beeinflusst werden.This object is achieved by a sensor device for detecting the rotational position of a rotating shaft with the features of claim 1. Accordingly, a sensor device for detecting the rotational position of a rotating shaft is provided, wherein the shaft is rotatably mounted in a housing, comprising a transmitter magnet which is fixed to a support member which is connected to the shaft, wherein the donor magnet is cuboidal and the support member on the front side has a recess into which the transmitter magnet is received flush, so that the end face of the support member and a top of the transmitter magnet lie in a common plane. The encoder magnet is simple and inexpensive to manufacture. The flush mounting in the carrier component makes it possible to define the position of the magnet well, which opens up the possibility of bringing it closer to a sensor module of the sensor device, which leads to a better signal quality. In addition, the tolerance chain of the components involved can be favorably influenced by the design.

Vorzugsweise ist das Trägerbauteil T-förmig ausgebildet und in eine stirnseitige Ausnehmung der Welle eingepresst.Preferably, the support member is T-shaped and pressed into a frontal recess of the shaft.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Trägerbauteil mittels Kaltschmieden oder Kaltstauchen hergestellt. Dadurch können Kosten gespart werden und das Trägerbauteil kann mit hoher Genauigkeit gefertigt werden.In an advantageous embodiment, the carrier component is produced by cold forging or cold heading. As a result, costs can be saved and the support member can be manufactured with high accuracy.

Vorzugsweise ist das Trägerbauteil aus Edelstahl gefertigt.Preferably, the support member is made of stainless steel.

Der Gebermagnet ist zur Vereinfachung der Montage bevorzugt in das Trägerbauteil eingeklebt.The transmitter magnet is preferably glued into the carrier component to simplify the assembly.

Das Trägerbauteil ist bevorzugt in die Motorwelle mit Überdeckung gepresst ist.The carrier component is preferably pressed into the motor shaft with overlap.

Weiterhin ist ein Bürstenloser Gleichstrommotor mit einem Rotor, der um eine Drehachse drehbar gelagert ist und der von einem Stator umfangseitig umgeben ist, vorgesehen, wobei der Rotor zur Übertragung eines Drehmomentes mit einer Motorwelle verbunden ist und wobei die Motorwelle an einem Ende eine zuvor beschriebene Sensoreinrichtung zur Erfassung der Drehlage der Motorwelle aufweist. Der Elektromotor ist bevorzugt Teil einer elektrischen Pumpe.Furthermore, a brushless DC motor with a rotor which is rotatably mounted about a rotation axis and which is circumferentially surrounded by a stator provided, wherein the rotor for transmitting torque is connected to a motor shaft and wherein the motor shaft at one end a sensor device described above for detecting the rotational position of the motor shaft. The electric motor is preferably part of an electric pump.

Es ist vorteilhaft, wenn zwischen der Sensorbaugruppe und dem Gebermagneten eine Kunststoff-Trennwand angeordnet ist, die die Sensorbaugruppe von dem Gebermagneten räumlich trennt. Dadurch kann verhindert werden, dass in dem Motorraum befindliches Öl die Sensorbaugruppe beschädigt.It is advantageous if a plastic partition wall is arranged between the sensor module and the transmitter magnet, which spatially separates the sensor module from the transmitter magnet. This can prevent the oil in the engine compartment from damaging the sensor assembly.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:

1: ein Längsschnitt durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit Sensoreinrichtung,
2: vier unterschiedliche Darstellungen eines Gebermagnetes der Sensoreinrichtung,
3: eine schematische Darstellung der Befestigung des Gebermagnetes der 2 auf einem Trägerbauteil, sowie
4: eine schematische Darstellung des Einpressens des Trägerbauteils in einer Welle.

A preferred embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings. Similar or equivalent components are denoted by the same reference numerals in the figures. Show it:

1 a longitudinal section through a brushless DC motor with sensor device,
2 four different representations of a sensor magnet of the sensor device,
3 : a schematic representation of the attachment of the encoder magnet of 2 on a vehicle component, as well
4 : A schematic representation of the pressing of the support member in a shaft.

1 zeigt einen bürstenlosen Gleichstrommotor 1. In einem Motorgehäuse 2 sind ein Rotor 3 und ein Stator 4 angeordnet. Der Stator 4 umgibt den Rotor 3 konzentrisch zu einer Drehachse 100. Der Rotor 3 ist zur Übertragung eines Drehmomentes mit einer Motorwelle 5 verbunden. Der Stator 4 weist einen Statorkern auf, welcher sich koaxial zu der Drehachse 100 erstreckt und eine Mehrzahl von nicht dargestellten Statorkernsegmenten aufweist, um welche herum jeweils Spulen 6 gewickelt sind. Die Spulen 6 sind lediglich schematisch dargestellt. Der Stator 4 wird fest innerhalb des Motorgehäuses 2 montiert und ist dazu eingerichtet, ein zeitveränderliches Magnetfeld mittels der Spulen 6 zu erzeugen. Der Rotor 3 ist dazu eingerichtet, durch eine Wechselwirkung mit dem von den Spulen 6 erzeugten zeitveränderlichen Magnetfeld gedreht zu werden. 1 shows a brushless DC motor 1 , In a motor housing 2 are a rotor 3 and a stator 4 arranged. The stator 4 surrounds the rotor 3 concentric to a rotation axis 100 , The rotor 3 is for transmitting a torque with a motor shaft 5 connected. The stator 4 has a stator core which is coaxial with the axis of rotation 100 extends and a plurality of stator core segments, not shown, around which each coils 6 are wound. The spools 6 are shown only schematically. The stator 4 gets stuck inside the motor housing 2 mounted and is adapted to a time-varying magnetic field by means of the coils 6 to create. The rotor 3 is designed to interact with that of the coils 6 generated time-varying magnetic field to be rotated.

Die Motorwelle 5 ist in Wälzlagern 7,8 um die Drehachse 100 drehbar gelagert. Ein erstes Wälzlager 7 ist in dem Motorgehäuse 2 befestigt und lagert die Motorwelle 5 an einem ersten Ende 9. Ein zweites Wälzlager 8 ist in einem Gehäusedeckel 10 befestigt und lagert die Motorwelle 5 an einem zweiten Ende 11, das dem ersten Ende 9 gegenüberliegt. Der Gehäusedeckel 10 verschließt das Motorgehäuse 2.The motor shaft 5 is in rolling bearings 7 . 8th around the axis of rotation 100 rotatably mounted. A first rolling bearing 7 is in the motor housing 2 attaches and stores the motor shaft 5 at a first end 9 , A second rolling bearing 8th is in a housing cover 10 attaches and stores the motor shaft 5 at a second end 11 that's the first end 9 opposite. The housing cover 10 closes the motor housing 2 ,

Die Motorwelle 5 weist an ihrem ersten Ende 9 eine Sensoreinrichtung 12 zur Erfassung der Drehlage der Motorwelle 5 auf. Die Sensoreinrichtung 12 weist einen mit der Motorwelle 5 drehfest verbundenen zweipoligen Gebermagneten 13 auf. Der zweipolige Magnet 13 ist eine Dauermagnetanordnung und quaderförmig ausgebildet und weist zwei bezüglich der Drehachse 100, die der Magnetachse entspricht, diametral gegenüberliegende Pole auf. Der Gebermagnet 13 ist in ein Trägerbauteil 14 aufgenommen, das in eine Ausnehmung 15 eingesetzt ist, welche in eine Stirnseite 16 der Motorwelle 5 eingebracht ist. Das Trägerbauteil 14 verbindet somit drehfest den Gebermagneten 13 mit der Motorwelle 5.The motor shaft 5 indicates at its first end 9 a sensor device 12 for detecting the rotational position of the motor shaft 5 on. The sensor device 12 has one with the motor shaft 5 rotatably connected bipolar encoder magnet 13 on. The bipolar magnet 13 is a permanent magnet arrangement and cuboid and has two with respect to the axis of rotation 100 , which corresponds to the magnetic axis, diametrically opposite poles. The encoder magnet 13 is in a carrier component 14 taken in a recess 15 is used, which in an end face 16 the motor shaft 5 is introduced. The carrier component 14 thus rotatably connects the encoder magnet 13 with the motor shaft 5 ,

Eine axial beabstandete Sensorbaugruppe 17 der Sensoreinrichtung 12 ist an dem Gehäusedeckel 10 orstfest befestigt und weist wenigstens einen magnetfeldrichtungsabhängigen Sensoren auf, bevorzugt einen Hall-Sensor. Die Sensorbaugruppe 17 liegt bevorzugt mittig zur Magnetachse. Die Sensorbaugruppe 17 ist in der Lage Magnetfeldänderungen zu detektieren, welche beim Umlaufen der Motorwelle 5 sowie des Gebermagneten 13 entstehen. Die entsprechenden Sensorsignale der Sensorbaugruppe 17 werden in einer Regel- oder Steuereinheit ausgewertet und können zur Einstellung des Elektromotors 1 herangezogen werden.An axially spaced sensor assembly 17 the sensor device 12 is on the housing cover 10 fixed stationary and has at least one magnetic field direction-dependent sensors, preferably a Hall sensor. The sensor assembly 17 is preferably centered to the magnetic axis. The sensor assembly 17 is able to detect magnetic field changes which occur when the motor shaft rotates 5 as well as the encoder magnet 13 arise. The corresponding sensor signals of the sensor module 17 are evaluated in a control or control unit and can be used to set the electric motor 1 be used.

Die Sensorbaugruppe 17 und der Gebermagneten 13 sind axial beabstandet angeordnet. Das von dem Permanentmagneten 13 ausgehende magnetische Feld ist sehr dicht an der Sensorbaugruppe 17 geführt, wodurch der Drehsensor sehr empfindlich arbeitet. Zwischen der Sensorbaugruppe 17 und dem Gebermagneten 13 ist eine Kunststoff-Trennwand 18 vorgesehen, die die Sensorbaugruppe 17 von dem Gebermagneten 13 räumlich trennt und somit die elektronischen Komponenten der Sensorbaugruppe 17 vor im Motorraum befindlichen Öl schützt. Die Trennwand 18 hat Einfluss auf die Toleranzkette der Sensoreinheit 12. Sie limitiert die maximal zulässigen Toleranzen auf beiden Seiten der Trennwand.The sensor assembly 17 and the encoder magnet 13 are arranged axially spaced. That of the permanent magnet 13 Outgoing magnetic field is very close to the sensor assembly 17 led, whereby the rotation sensor works very sensitive. Between the sensor module 17 and the encoder magnet 13 is a plastic partition 18 provided the sensor assembly 17 from the encoder magnet 13 spatially separates and thus the electronic components of the sensor assembly 17 protects against oil in the engine compartment. The partition 18 has influence on the tolerance chain of the sensor unit 12 , It limits the maximum permissible tolerances on both sides of the partition.

In der 2 ist im Detail der in dem Trägerbauteil 14 aufgenommene Gebermagnet 13 dargestellt. Der Gebermagnet 13 ist quaderförmig. Quaderförmige Magnete sind deutlich kostengünstiger herzustellen im Gegensatz zu runden Magneten. Bei der Herstellung bzw. dem Zuschnitt kann Material eingespart werden und die Fasen können unmittelbar mit ausgebildet werden. Dadurch kann auch die Anzahl der Bearbeitungsschritte verringert werden. Der Gebermagnet 13 ist in dem Trägerbauteil 14 flächenbündig eingesetzt, d. h. die Oberfläche des Gebermagneten bildet eine Ebene mit der Oberfläche des Trägerbauteils. Der Gebermagnet 13 steht nicht über das Trägerbauteil 14 über. Das Trägerbauteil 14 ist im Längsschnitt T-förmig ausgebildet und weist in dem zum längsliegenden Schenkel 19 querliegenden Schenkel 20 eine mittig angeordnete Ausnehmung 21 zur Aufnahme des Gebermagneten 13 auf. Der querliegende Schenkel 20 und der längsliegende Schenkel 19 sind kreiszylindrisch zur Längsachse 100 ausgebildet, wobei der Durchmesser des längsliegenden Schenkels 19 kleiner als die Hälfte des Durchmessers des querliegenden Schenkels 20 ist.In the 2 is in detail that in the support member 14 recorded encoder magnet 13 shown. The encoder magnet 13 is cuboid. Cuboid magnets are significantly cheaper to produce in contrast to round magnets. In the production or cutting material can be saved and the chamfers can be formed directly with. This can also reduce the number of processing steps. The encoder magnet 13 is in the carrier component 14 used flush, ie the surface of the encoder magnet forms a plane with the surface of the support member. The encoder magnet 13 does not stand over the carrier component 14 above. The carrier component 14 is formed in a longitudinal section T-shaped and has in the longitudinal leg 19 transverse leg 20 a centrally located recess 21 for receiving the encoder magnet 13 on. The transverse thigh 20 and the longitudinal leg 19 are circular cylindrical to the longitudinal axis 100 formed, wherein the diameter of the longitudinal leg 19 less than half the diameter of the transverse leg 20 is.

Das Trägerbauteil 14 ist aus einem nicht-magnetischen Material, insbesondere Edelstahl gebildet. Es ist mittels Kaltschmieden oder Kaltstauchen hergestellt, wodurch die Herstellungskosten und die Toleranzen minimiert werden können.The carrier component 14 is formed of a non-magnetic material, especially stainless steel. It is made by cold forging or cold heading, which minimizes manufacturing costs and tolerances.

3 zeigt schematisch die Montage des Gebermagneten 13 in dem Trägerbauteil 14. In die Ausnehmung 21 des Trägerbauteils 14 wird in einem ersten Schritt mittig Klebstoff 22 eingebracht. Der Klebstoff 22 verteilt sich in der Ausnehmung 21. Der Gebermagnet 13 wird mittels einer Haltevorrichtung 23 auf das Trägerbauteil 14 und die Ausnehmung 21 zugestellt. Der Gebermagnet 13 wird in das Trägerbauteil 14 mit Spielpassung eingesetzt. Die Haltevorrichtung 23 weist Haltearme 24 auf, die eine Stirnseite der Haltevorrichtung 23 überragen und die einziehbar ausgestaltet sind. Die Haltearme 24 halten den Gebermagneten 13 an der Stirnseite der Haltevorrichtung 23. Der Gebermagnet 13 wird mittels der Haltearme 24 in die Ausnehmung 21 eingepresst, wobei sich die Haltearme 24 in die Haltevorrichtung 23 zurückziehen. Die Oberfläche der Stirnseite des Gebermagneten 13 dient als Anschlag für die Stirnfläche der Haltevorrichtung 23, so kann sichergestellt werden, dass im eingebauten Zustand der Gebermagnet 13 flächenbündig mit dem Trägerbauteil 14 abschließt. Die Menge an Klebstoff 22 und die Fließfähigkeit des Klebstoffs 22 werden dabei so gewählt, dass der Gebermagnet 13 flächenbündig im Trägerbauteil 14 einsetzbar ist. 3 schematically shows the mounting of the encoder magnet 13 in the carrier component 14 , In the recess 21 of the carrier component 14 becomes glue in a first step in the middle 22 brought in. The adhesive 22 spreads in the recess 21 , The encoder magnet 13 is by means of a holding device 23 on the carrier component 14 and the recess 21 delivered. The encoder magnet 13 is in the carrier component 14 used with clearance. The holding device 23 has retaining arms 24 on, the one end face of the holding device 23 overhang and designed to be retractable. The holding arms 24 keep that transducer magnets 13 on the front side of the holding device 23 , The encoder magnet 13 is by means of the holding arms 24 into the recess 21 pressed in, with the retaining arms 24 in the holding device 23 withdraw. The surface of the front side of the encoder magnet 13 serves as a stop for the end face of the holding device 23 , so it can be ensured that in the installed state of the encoder magnet 13 flush with the carrier component 14 concludes. The amount of glue 22 and the flowability of the adhesive 22 are chosen so that the encoder magnet 13 flush with the support component 14 can be used.

4 zeigt die Montage des Trägerbauteils 14 auf der Motorwelle 5. Die Stirnseite 16 der Motorwelle 5 weist die zentrale im Querschnitt kreisrunde Ausnehmung 15 auf, in die das Trägerbauteil 14 mit Presssitz mit Überdeckung eingebracht wird. 4 shows the mounting of the carrier component 14 on the motor shaft 5 , The front side 16 the motor shaft 5 has the central circular cross-section recess 15 on, in which the carrier component 14 is introduced with interference fit with overlap.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2350573 B1 [0003]

Claims

Sensor device (12) for detecting the rotational position of a rotating shaft (5), which is rotatably mounted in a housing (2), with a transmitter magnet (13) which is fixed to a support member (14) connected to the shaft (5 ), characterized in that the transmitter magnet (13) is parallelepiped-shaped and the carrier component (14) has a recess (21) on the front side, in which the transmitter magnet (13) is received flush, so that the front side of the carrier component (14 ) and an upper side of the transmitter magnet (13) lie in a common plane.

Sensor device after Claim 1 , characterized in that the carrier component (14) is T-shaped and in an end-side recess (15) of the shaft (5) is pressed.

Sensor device after Claim 1 or 2 , characterized in that the support member (14) is made by cold forging or cold heading.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier component (14) is made of stainless steel.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the transmitter magnet (13) is glued into the carrier component (14).

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier component (14) is pressed into the motor shaft (5) with overlap.

Brushless DC motor (1) having a rotor (3) which is mounted rotatably about a rotation axis (100) and which is peripherally surrounded by a stator (4), wherein the rotor (3) for transmitting a torque with a motor shaft (5) and wherein the motor shaft (5) at one end (9) has a sensor device (12) according to one of the preceding claims for detecting the rotational position of the motor shaft (5).

Brushless DC motor (1) after Claim 7 , characterized in that between a sensor assembly (17) of the sensor device (12) and the encoder magnet (13) a plastic partition wall (18) is arranged, which spatially separates the sensor assembly (17) from the transmitter magnet (13).